使用雙軸加速度計進(jìn)行傾斜測量

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路集成了雙軸加速度計ADXL203和12位逐次逼近(SAR)型ADCAD7887，打造出一款雙軸傾斜測量系統。

ADXL203是一款多晶硅表面微加工傳感器并集成信號調理電路。X或Y軸方向的加速度會(huì )在器件的XOUT 或YOUT輸出端上產(chǎn)生相應的輸出電壓。X軸和Y軸相互垂直。AD8608四通道運算放大器會(huì )對ADXL203輸出進(jìn)行緩沖、衰減和電平轉換，使輸出處于適當的電平，從而驅動(dòng)AD7887的輸入。選擇軌到軌輸入/輸出AD8608的原因是它具有低失調電壓(最大值為65 μV)、低偏置電流(最大值為1 pA)、低噪聲(8 nV/√Hz)且尺寸小(14引腳SOIC或TSSOP封裝)等特性。

AD7887可通過(guò)片內控制寄存器配置為單通道或雙通道工作模式。本應用中將該器件配置為雙通道模式，以允許用戶(hù)監控ADXL203的兩個(gè)輸出，因此提供了一種更為準確和完善的解決方案。

在整個(gè)溫度范圍內，該系統可在90°范圍內維持1°的精度。該電路憑借這一精度、性能和范圍提供一種低成本、低功耗、小尺寸的校準相關(guān)解決方案。ADXL203的最小額定工作溫度范圍為−40°C至+105°C，并提供8引腳陶瓷無(wú)引腳芯片載體封裝(LCC)。

Figure 1. Dual Axis Tilt Measurement System (Simplified Schematic: Decoupling and All Connections Not Shown)

電路描述

電源電壓和去耦

只要140 kHz內部時(shí)鐘頻率上不存在噪聲，ADXL203就只需要一個(gè)0.1 μF去耦電容。如果需要，可以包含較大的大容量電容(1 μF至10 μF)或氧化鐵磁珠。

為使輸出邏輯電平與SDP板兼容，AD7887必須采用+3.3 V供電軌供電。電路其余部分則采用+5 V供電軌供電，如圖1所示。ADXL203經(jīng)過(guò)測試的標稱(chēng)電源電壓為+5 V。雖然ADXL203可以采用3 V至6 V之間的任意電源電壓工作，但5 V時(shí)整體性能最佳。有關(guān)其它電源電壓下的性能詳情，請參閱ADXL203數據手冊。

ADXL203輸出是比率式的;當電源電壓升高時(shí)，輸出電壓也會(huì )升高。輸出靈敏度與電源電壓成比例。VS = 3 V時(shí)，輸出靈敏度典型值為560 mV/g。Vs = 5 V時(shí)，該器件的標稱(chēng)靈敏度為1000 mV/g。

零g輸出電平也是比率式的，因此所有電源電壓情況下，零g輸出的標稱(chēng)值均等于VS/2。

但是，ADXL203的輸出噪聲不是比率式的，而是絕對的，其單位為伏特(V)。這意味著(zhù)，噪聲密度將隨著(zhù)電源電壓升高而下降。這是因為比例因子(mV/g)增加而噪聲電壓卻保持不變。VS = 3 V時(shí)，噪聲密度的典型值為190 μg/√Hz，VS = 5 V時(shí)則為110 μg/√Hz。

噪聲、帶寬和輸出電容選擇

ADXL203噪聲具有白高斯噪聲的特征，所有頻率下的貢獻值均相同，用μg/√Hz表示(該噪聲與加速度計帶寬的平方根成比例)。用戶(hù)應將帶寬限制為應用所需的最低頻率，以便最大程度地提高加速度計的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。

帶寬由器件XOUT和YOUT引腳上的電容(CX,Y)設置。這些電容與ADXL203的32 kΩ內部輸出電阻結合，構成一個(gè)低通濾波器。這些濾波器主要用于實(shí)現降噪和抗混疊。3 dB帶寬的計算公式如下：

BW = 1/(2πR×C(X,Y)), where R = 32 kΩ

由于具有單極點(diǎn)滾降特征，因此當電源電壓為5 V時(shí)，ADXL203的噪聲典型值可以通過(guò)下式確定：

RMS Noise = (110 μg/√Hz) × √(BW × 1.57)

通常需要知道峰峰值噪聲，因為該值可以最好地估算一次測量中的不確定性;峰峰值噪聲通過(guò)將均方根值乘以6來(lái)估算。

表1給出了給定濾波器電容的帶寬、均方根噪聲和峰峰值噪聲。對于此電路，兩個(gè)10 μF電容會(huì )產(chǎn)生0.5 Hz的帶寬。在所有情況下，所需的最小電容均為2000 pF。

傳感器的物理操作

該傳感器為表面微加工多晶硅結構，置于晶圓頂部。多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結構之上，提供加速度力量阻力。差分電容由獨立固定板和活動(dòng)質(zhì)量連接板組成，能對結構偏轉進(jìn)行測量。

固定板由180°反相方波驅動(dòng)。加速度使梁偏轉，使差分電容失衡，從而使輸出方波的幅度與加速度成比例。然后，使用相敏解調技術(shù)來(lái)對信號進(jìn)行整流并確定加速度的方向。

輸入矢量和器件方向

ADXL203的輸入信號不是標準電流或電壓。相反，加速度計會(huì )使用重力作為輸入矢量來(lái)確定空間中物體的方向。圖2顯示了ADXL203相對于地球表面的五種不同方向以及基于傳感器方向的對應輸出電壓。

當目標軸(本例中為X軸)與地球表面平行時(shí)，傳感器處于0 g場(chǎng)，這相當于2.5 V零g偏置電平。輸出電壓將根據器件的靈敏度而變化(1000 mV/g)。因此，順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉90°將分別產(chǎn)生+1 g或−1 g 場(chǎng)，相應的輸出電壓則分別是3.5 V或1.5 V。有關(guān)各種IC方向及其對應的輸出電壓，請參見(jiàn)圖2。

Figure 2. Output Response vs. Orientation

調理ADXL203電壓輸出

為了處理加速度計數據并計算出角度，必須通過(guò)AD7887對信息進(jìn)行數字化處理。必須確定ADXL203的最差輸出電壓范圍并將其與ADC輸入電壓范圍進(jìn)行比較。AD7887的輸入電壓范圍為0 V至VDD = 3.3 V。ADXL203的理想輸出電壓范圍為1.5 V至3.5 V。不過(guò)，確定此范圍時(shí)忽略了數種非理想特性。

第一種非理想特性是零g偏置電平。此電壓的額定范圍為2.4 V至2.6 V，最差情況下會(huì )上下偏移100 mV。第二種非理想特性是特定輸出的靈敏度，最差規格為960 mV/g至1040 mV/g。通過(guò)結合考慮這些誤差，就可以計算出ADXL203最差情況的輸出范圍：

VMAX (+1 g) = (2.6 V) + (1040 mV/g)×(+1 g) = 3.64 V

VMIN (−1 g) = (2.4 V) + (1040 mV/g)×(−1 g) = 1.36 V